JP3924533B2 - Ｍｒ画像のアーチファクトを抑制するための予備パルスシーケンス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明の属する分野は、核磁気共鳴イメージングの方法及びシステムである。さらに詳細には、本発明は、撮像域の外部で発生した信号による画像アーチファクトを低下させることに関する。
【０００２】
人体組織などの物質を均一な磁場（偏向磁場Ｂ₀）にかけると、組織中のスピンの個々の磁気モーメントはこの偏向磁場と整列しようとして、この周りをラーモアの特性周波数で無秩序に歳差運動することになる。この物質（または組織）に、Ｘ−Ｙ平面内にありラーモア周波数に近い周波数をもつ磁場（励起磁場Ｂ₁）がかけられると、正味の整列モーメントＭ_zは、Ｘ−Ｙ平面内に来るように回転させられ（すなわち、「傾けられ（ｔｉｐｐｅｄ）」）、正味の横方向磁気モーメントＭ_tが生成される。励起信号Ｂ₁を停止させた後、励起したスピンにより信号が放出され、さらにこの信号を受信し処理して画像を形成することができる。
【０００３】
これらの信号を用いて画像を作成する際には、磁場傾斜（Ｇ_x、Ｇ_y及びＧ_z）が利用される。典型的には、画像化しようとする領域は、使用する具体的な位置特定方法に従ってこれらの傾斜を変更させている一連の計測サイクルによりスキャンを受ける。結果として得られる受信したＮＭＲ信号の組は、ディジタル化され処理され、よく知られている多くの再構成技法のうちの一つを用いて画像が再構成される。
【０００４】
スピンの励起及び得られるＮＭＲ信号の位置の解明を正確に行うためには、その偏向磁場Ｂ₀は極めて均一である必要があると共に、そのイメージング傾斜磁場Ｇ_x、Ｇ_y及びＧ_zの直線性を極めて高くする必要がある。これを市販のＭＲＩシステムで実現するための多くの構造や方法が当技術分野で知られており、こうした磁場がこの要件を満たす領域のことは、設計球体ボリューム（ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｖｏｌｕｍｅ：「ＤＳＶ」）と呼んでいる。このＤＳＶは、例えば、直径が４０〜４８ｃｍの範囲とすることがある。ＤＳＶの外部では、偏向磁場Ｂ₀は非常に不均一であることがあり、またイメージング傾斜Ｇ_x、Ｇ_y及びＧ_zは極めて非直線的となることがある。さらに、こうした外側領域ではこれらの制御が非常に不十分である。
【０００５】
具体的に図２を参照すると、典型的なＭＲＩシステムのＤＳＶを破線１０で表しており、またスキャン対象１２はＤＳＶ１０内に配置させている。画像を再構成させるように正確なＮＭＲデータを収集する区域にあたる撮像域（ＦＯＶ）は点線１４で表している。対象１２のある部分はＤＳＶ１０の外部にあり、かつその部分のスピンはＲＦ励起磁場及びＭＲＩシステムがＦＯＶ１４の撮像中に発生させた磁場の影響を受けている。ＤＳＶ１０の外部に位置するスピンが発生させるＮＭＲ信号は画像アーチファクトを生成させることがある。ＤＳＶ１０の外部からのこうした画像アーチファクトは、撮像ＦＯＶ１４が制限されているために再構成画像内でエイリアシングとなることがあり、またそのデータの不整合性のために画像内でゴーストとなることがあり得る。
【０００６】
こうしたアーチファクトを軽減させるための方法及び装置は周知である。その解決法の一つは、撮像ＦＯＶ１４を大きくしてエイリアシングを減少させることである。ハードウェアによる解決法には、直線領域をより広くした傾斜コイル、あるいはＤＳＶ１０外部のスピンのＲＦ励起を大幅に低下させたＲＦ送信コイルの設計が含まれる。これらの解決法では、大幅なシステム変更を必要とするためコストがかかる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、システムのＤＳＶの外部から発生した信号に起因する画像アーチファクトを減少させるための方法及び装置である。さらに詳細には、ＭＲＩシステムが実行するイメージング・パルスシーケンスの前に、ＤＳＶ外部の領域のスピンを励起させると共に得られるＮＭＲ信号をスポイルしている予備パルスシーケンスを置いている。ＤＳＶ外部のスピンの縦磁化が回復するだけの時間が経過する前に、予備パルスシーケンスの次にイメージング・パルスシーケンスを続けている。
【０００８】
ＲＦ磁場とＤＳＶ外部の磁場により予測できない結果が生ずるため、従来の空間プリサチュレーション・パルスシーケンスを使うと画像アーチファクトが抑制されないことが分かっている。本発明は、ある傾斜軸に沿ったＦＯＶに対して選択性をもつ第１のＲＦパルスを印加すること、大きさが等しく方向が反対のフリップ角を有すると共に別の傾斜軸に沿ったＦＯＶに対して選択性をもつ第２のＲＦパルスを印加すること、並びにこの二つのＲＦパルスが発生させるＮＭＲ信号をスポイルすること、によりこの問題を解決している。ＦＯＶ内のスピン縦磁化は、大きさが等しく方向が反対のフリップ角をもつ二つのＲＦパルスを印加することにより回復し、一方、この二つの傾斜軸に沿ってＦＯＶの外部にあるスピン縦磁化は抑制される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
先ず図１を参照すると、本発明を組み込んだ好ましいＭＲＩシステムの主要コンポーネントを表している。本システムの動作は、キーボード／制御パネル１０２及びディスプレイ１０４を含むオペレータ・コンソール１００から制御を受けている。コンソール１００は、オペレータが画像の作成及びスクリーン１０４上への画像表示を制御できるようにする独立のコンピュータ・システム１０７と、リンク１１６を介して連絡している。コンピュータ・システム１０７は、バックプレーンを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサ・モジュール１０６、ＣＰＵモジュール１０８、並びに当技術分野でフレーム・バッファとして知られている画像データ・アレイを記憶するためのメモリ・モジュール１１３が含まれる。コンピュータ・システム１０７は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置１１１及びテープ駆動装置１１２とリンクしており、さらに高速シリアル・リンク１１５を介して独立のシステム制御部１２２と連絡している。
【００１０】
システム制御部１２２は、バックプレーンにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール１１９や、シリアル・リンク１２５を介してオペレータ・コンソール１００に接続させたパルス発生器モジュール１２１が含まれる。システム制御部１２２は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをリンク１２５を介して受け取っている。パルス発生器モジュール１２１は、各システム・コンポーネントを動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させており、また生成されるＲＦパルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示しているデータを発生させている。パルス発生器モジュール１１２は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために、一組の傾斜増幅器１２７と接続させている。パルス発生器モジュール１２１はさらに、患者に接続した多数の異なるセンサからの信号（例えば、電極からのＥＣＧ信号やベローズからの呼吸信号）を受け取っている生理学的収集制御器１２９から患者データを受け取る。また最終的には、パルス発生器モジュール１２１はスキャン室インタフェース回路１３３と接続させており、スキャン室インタフェース回路１３３はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連する様々なセンサからの信号を受け取っている。さらにこのスキャン室インタフェース回路１３３を介して、患者位置決めシステム１３４はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。
【００１１】
パルス発生器モジュール１２１が発生させる傾斜波形は、Ｇ_x増幅器、Ｇ_y増幅器及びＧ_z増幅器からなる傾斜増幅器システム１２７に加えられる。各傾斜増幅器は、収集した信号の位置エンコーディングに使用する磁場傾斜を生成させるようにアセンブリ（全体を１３９で示す）内の対応する傾斜コイルを励起させている。傾斜磁場コイル・アセンブリ１３９は、偏向用マグネット１４０及び全身用ＲＦコイル１５２を含んでいるマグネット・アセンブリ１４１の一部を形成している。システム制御部１２２内の送受信器モジュール１５０は、ＲＦ増幅器１５１により増幅を受け送信／受信スイッチ１５４によりＲＦコイル１５２に結合させるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得た信号は、同じＲＦコイル１５２により検知し、送信／受信スイッチ１５４を介して前置増幅器１５３に結合させることができる。増幅されたＮＭＲ信号は、送受信器１５０の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ１５４は、パルス発生器モジュール１２１からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器１５１をコイル１５２と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器１５３を電気的に接続させている。送信／受信スイッチ１５４によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても同じ単独のＲＦコイル（例えば、頭部コイルや表面コイル）を使用することが可能となる。
【００１２】
ＲＦコイル１５２により取り込まれたＮＭＲ信号は送受信器モジュール１５０によりディジタル化され、システム制御部１２２内のメモリ・モジュール１６０に転送される。スキャンが完了し、メモリ・モジュール１６０内にデータ・アレイの全体を収集し終ったら、アレイ・プロセッサ１６１はこのデータを画像データのアレイにフーリエ変換するように動作する。この画像データはシリアル・リンク１１５を介してコンピュータ・システム１０７に送られ、コンピュータ・システム１０７において画像データはディスク記憶装置１１１内に記憶される。この画像データは、オペレータ・コンソール１００から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置１１２上にアーカイブされたり、画像プロセッサ１０６によりさらに処理を受けオペレータ・コンソール１００に伝達されたりディスプレイ１０４上に表示されたりすることがある。
【００１３】
画像を収集するには、ＭＲＩシステムは、パルス発生装置１２１の指示の下で一連のパルスシーケンスを実行する。当技術分野で周知のイメージング・パルスシーケンスは多く存在し、本発明ではこれらのうちのいずれを使用することもできる。所定のイメージング・パルスシーケンスは、ＲＦパルスを発生させ得られるＮＭＲ信号を受信するような送受信装置１５０の動作を指令しており、またこのイメージング・パルスシーケンスは必要な傾斜磁場Ｇ_x、Ｇ_y及びＧ_zを発生させるように傾斜システム１２７に指令している。図２に示すように、この所定のイメージング・パルスシーケンスはＦＯＶ１４の画像を再構成できるようなＮＭＲデータの収集を指令している。ＦＯＶ１４のサイズ、形状及び向きは、スキャンに使用する具体的な所定のイメージング・パルスシーケンスのスキャン・パラメータにより決定される。
【００１４】
具体的に図３を参照すると、本発明は、ＭＲＩシステムが所定のイメージング・パルスシーケンスに先だって実行するような予備パルスシーケンスを利用している。この予備パルスシーケンスは、スキャン中に実行する一連のイメージング・パルスシーケンスにおいて各イメージング・パルスシーケンスの前で繰り返すことができ、あるいはイメージング・パルスシーケンスのグループ間に挟み込むこともできる。予備パルスシーケンスの反復割合は、使用する具体的なイメージング・パルスシーケンスや抑制しようとする画像アーチファクトの重大性などの要因に応じて異なる。
【００１５】
具体的に図２及び３を参照すると、この予備パルスシーケンスはスラブ選択Ｇ_x傾斜２０２が存在する状態でフリップ角∀を有する選択性ＲＦパルス２００を印加することで開始される。このスラブ選択Ｇ_x傾斜２０２は、図２に示す「領域１」の厚みがＦＯＶ１４のＸ軸に沿った範囲と実質的に同じになるようにＹ−Ｚ面でスピンのスラブを励起できるような十分な強さとする。その結果、このスラブ内でＹ軸とＺ軸に沿って位置している対象内のスピンは飽和される。
【００１６】
次のステップは、スラブ選択Ｇ_z傾斜２０６が存在する状態で第２のＲＦパルス２０４を印加することである。この第２のＲＦパルス２０４は同じフリップ角∀を有しているが、ＲＦパルス２００とＲＦパルス２０４の両方を受けたスピンが実質的に影響のないものとするためこのＲＦの位相は１８０゜反転させている。スラブ選択Ｇ_z傾斜２０６は、図２に示す「領域２」の厚みがＦＯＶ１４のＺ軸に沿った範囲と実質的に同じとなるようにＸ−Ｙ面でスピンのスラブを励起できるような十分な強さとする。このスラブ内でＸ軸とＹ軸に沿って位置している対象内のスピンは励起を受ける。第１の領域と第２の領域は交差しており、この交差した領域はＦＯＶ１４と実質的に一致している。Ｘ軸に沿ったＦＯＶ１４の外部にあるスピンは飽和され、また重なった領域（すなわち、ＦＯＶ１４）の内部のスピンはその元の縦磁化まで回復する。
【００１７】
イメージング・パルスシーケンスを実行する前に、ＲＦパルス２００及び２０４が発生させた横磁化はディフェーズさせ、すなわち、「スポイル（ｓｐｏｉｌ）」させている。この操作は（Ｂ₀磁場の不均一性がＤＳＶ１０の外部において有意である場合に）イメージング・パルスシーケンスの開始前のある短い遅延だけで達成することができるが、この好ましい実施形態では、スポイラー傾斜２０８、２１０及び２１２を傾斜軸Ｘ、Ｙ及びＺのそれぞれに沿って印加することによりデフェージングを加速させている。その結果、ＦＯＶ１４外部のスピンは実質的に飽和され、またその横磁化はディフェーズされて正味でＮＭＲ信号は検出されない。
【００１８】
本発明の精神を逸脱することなく多くの変形形態が可能であることが理解できよう。好ましい予備パルスシーケンスはＸ軸とＺ軸の両軸に沿ってＦＯＶ１４の外部に位置するスピン縦磁化を抑制する。対象１２がＸ軸に沿ったＦＯＶ１４の外部まで延びていない場合は、第１のＲＦパルス２００は選択性とする必要はなく、またスラブ選択Ｇ_x傾斜磁場パルス２０２は発生させる必要がない。この代替的場合では、ＭＲＩシステムのボア内のすべてのスピンが第１のＲＦパルス２００により飽和され、さらに領域２内のスピンのスラブが第２のＲＦパルス２０４により回復される。この好ましい実施形態では、領域１と領域２のスラブが重なる部分はＦＯＶ１４の所定の境界と同じ広がりをもつが、このことは要求条件ではない。領域１と領域２によってＦＯＶ１４より大きな交差ボリュームを規定することもできるが、このボリュームは（少なくとも対象がＤＳＶ１０を越えて延びている軸に沿っては）ＤＳＶ１０の境界を越えて広げるべきではない。
【００１９】
さらに、予備パルスシーケンスを用いてＦＯＶ１４内の脂肪抑制を達成することができる。この抑制は、第１のＲＦパルス２００と第２のＲＦパルス２０４の間の時間遅延を制御することにより達成される。脂肪スピンが水スピンに対して１８０゜だけディフェーズできるようにこの時間間隔を設定すると、脂肪スピンの縦磁化は第２のＲＦパルス２０４により回復を受けることがない。むしろ、その縦磁化は２αだけ倒されて、後続の傾斜によりスポイルされることになる。
【００２０】
この予備パルスシーケンス中にＲＦパルス励起の別の組み合わせを使用することも可能である。例えば、１、−２、２、−１のＲＦパルスなど別の「二項式（ｂｉｎｏｍｉａｌ）」の励起を使用することができ、これらの数値によりＲＦパルスの相対的フリップ角を指定している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を利用したＭＲＩシステムのブロック図である。
【図２】 本発明の好ましい実施形態を実現させたときにＭＲＩシステムが生成するＤＳＶ、ＦＯＶ及び飽和領域を表した模式図である。
【図３】 本発明の好ましい実施形態を利用している予備パルスシーケンスのグラフである。
【符号の説明】
１０ 設計球体ボリューム、ＤＳＶ
１２ スキャン対象
１４ 撮像域、ＦＯＶ
１００ オペレータ・コンソール
１０２ キーボード／制御パネル
１０４ スクリーン、ディスプレイ
１０６ 画像プロセッサ・モジュール
１０７ コンピュータ・システム
１０８ ＣＰＵモジュール
１１１ ディスク記憶装置
１１２ テープ駆動装置
１１３ メモリ・モジュール
１１５ 高速シリアル・リンク
１１６ リンク
１１９ ＣＰＵモジュール
１２１ パルス発生器モジュール
１２２ システム制御部
１２５ シリアル・リンク
１２７ 傾斜増幅器システム
１２９ 生理学的収集制御器
１３３ スキャン室インタフェース回路
１３４ 患者位置決めシステム
１３９ 傾斜磁場コイル・アセンブリ
１４０ 偏向用マグネット
１４１ マグネット・アセンブリ
１５０ 送受信器モジュール
１５１ ＲＦ増幅器
１５２ ＲＦコイル
１５３ 前置増幅器
１５４ 送信／受信スイッチ
１６０ メモリ・モジュール
１６１ アレイ・プロセッサ
２００ 第１のＲＦパルス
２０２ スラブ選択Ｇ_x傾斜
２０４ 第２のＲＦパルス
２０６ スラブ選択Ｇ_z傾斜
２０８ スポイラー傾斜
２１０ スポイラー傾斜
２１２ スポイラー傾斜

Claims (16)

1. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの設計球体ボリューム（ＤＳＶ）（１０）の外部に位置するスピンが発生させる画像アーチファクトを減少させるように前記ＭＲＩシステムが作動する方法であって、
   ＤＳＶ（１０）の外部に位置するスピンの縦磁化を抑制するように一連のイメージング・パルスシーケンスの間に予備パルスシーケンスを前記ＭＲＩシステムが挟み込むステップであって、該予備パルスシーケンスの各々は、
   ｉ）撮像域（ＦＯＶ）を含んだ第１の領域内に位置するスピンの縦磁化を抑制するようなフリップ角∀を有する第１の選択性ＲＦパルス（２００）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップと、
   ｉｉ）ＦＯＶ内に位置するスピンの縦磁化を回復させるようなフリップ角−∀を有し、前記第１の選択性ＲＦパルス（２００）と直交する第２の選択性ＲＦパルス（２０４）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップと、
   を含んでいるような挟み込むステップを含む方法。
2. 前記予備パルスシーケンスの各々が、
   ｉｉｉ）第２のＲＦパルス（２０４）と同時発生のスラブ選択傾斜（２０６）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップ、
   を含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記予備パルスシーケンスの各々が、
   ｉｖ）前記ステップｉｉｉ）で生成したスラブ選択傾斜（２０６）と垂直であるような、第１のＲＦパルス（２００）と同時発生のスラブ選択傾斜（２０２）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップ、
   を含んでいる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１及び第２のＲＦパルス（２００、２０４）が交差する二つの領域内に位置するスピンを励起させており、かつ該二つの領域の交差部分は所定のＦＯＶと実質的に一致することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記予備パルスシーケンスが前記一連のシーケンス内の各イメージング・パルスシーケンスに先だって実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 予備パルスシーケンスの各々が、前記二つのＲＦパルス（２００、２０４）を生成した後にスポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記スポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）が、直交する三つの傾斜軸の各々に沿って傾斜磁場を発生させることにより生成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 予備パルスシーケンスの各々が、前記二つのＲＦパルス（２００、２０４）を生成させた後にスポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）を生成させ前記二つのＲＦパルス（２００、２０４）により発生したスピン横磁化を前記ＭＲＩシステムがディフェーズするステップを含む、請求項４に記載の方法。
9. 前記スポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）が、直交する三つの傾斜軸の各々に沿って傾斜磁場を前記ＭＲＩシステムが発生させることにより生成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの設計球体ボリューム（ＤＳＶ）（１０）の外部に位置するスピンが発生させる画像アーチファクトを減少させるように前記ＭＲＩシステムが作動する方法であって、
    ａ）前記ＤＳＶ範囲内に位置する所定の撮像域（ＦＯＶ）（１４）内のスピンからＮＭＲ信号を収集する一連のイメージング・パルスシーケンスを前記ＭＲＩシステムが実行することにより前記ＭＲＩシステムが画像を収集するステップと、
    ｂ）ＤＳＶ（１０）の外部に位置するスピンの縦磁化を抑制するように前記一連のイメージング・パルスシーケンスの間に予備パルスシーケンスを前記ＭＲＩシステムが挟み込むステップであって、該予備パルスシーケンスの各々は、
    ｉ）ＦＯＶを含んだ第１の領域内のスピンを励起させるようなフリップ角∀を有する第１のＲＦパルス（２００）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップと、
    ｉｉ）第１の領域と交差している第２の領域内のスピンを励起させるようなフリップ角−∀を有する第２のＲＦパルス（２０４）を前記ＭＲＩシステムが生成させるステップであって、第１の領域と第２の領域の交差部分がＦＯＶ（１４）を含み、かつ該ＦＯＶ内のスピン磁化を第２のＲＦパルス（２０４）により回復させるようにしたステップと、
    を含んでいる挟み込みステップと、
    ｉｉｉ）第１のＲＦパルス（２００）の生成と同時に第１のスラブ選択傾斜（２０２）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップと、
    ｉｖ）第１のスラブ選択傾斜（２０２）と垂直でありかつ第２のＲＦパルス（２０４）の生成と同時発生である第２のスラブ選択傾斜（２０６）を前記ＭＲＩシステムが生成するステップとを含んでおり、
    第１のＲＦパルス（２００）が選択性パルスであると共に、前記第１の領域が該第１のスラブ選択傾斜の傾斜軸と垂直な面内に配置されたスラブであり、
    第２のＲＦパルス（２０４）が選択性パルスであると共に、前記第２の領域が第１の領域の面と垂直な面内に配置されたスラブであることを特徴とする方法。
11. 前記予備パルスシーケンスが前記一連のシーケンス内の各イメージング・パルスシーケンスに先だって実行されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 予備パルスシーケンスの各々が、前記二つのＲＦパルス（２００、２０４）を生成させた後にスポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）を生成させ前記二つのＲＦパルスにより発生した横磁化を前記ＭＲＩシステムがディフェーズするステップを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記スポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）が、直交する三つの傾斜軸の各々に沿って傾斜磁場を前記ＭＲＩシステムが発生させることにより生成されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 予備パルスシーケンスの各々が、前記二つのＲＦパルス（２００、２０４）の生成の後にスポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）を前記ＭＲＩシステムが生成し、横磁化を前記ＭＲＩシステムがディフェーズするステップを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記スポイラー傾斜（２０８、２１０、２１２）が、直交する三つの傾斜軸の各々に沿って傾斜磁場を前記ＭＲＩシステムが発生させることにより生成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 第２のＲＦパルス（２０４）の生成は、脂肪のスピン磁化が水のスピン磁化と位相ずれを起こすようなタイミングとすると共に、該脂肪のスピン磁化は前記第２のＲＦパルス（２０４）により回復されないことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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